一種礦井環(huán)境探測機器人結(jié)構(gòu)設計

呂建華，王 力，張子懿，王辰棟，胡玉芬

(南京理工大學紫金學院 智能制造學院，江蘇 南京 210023)

0 引言

我國煤炭資源豐富，是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費國。國內(nèi)煤礦開采活動頻繁，礦井條件復雜、不穩(wěn)定因素較多，一旦發(fā)生事故，容易造成大量人員的傷亡。目前應用于礦井環(huán)境探測的機器人種類較少且功能普遍較為單一，因此開發(fā)多功能礦井環(huán)境探測機器人，對礦井環(huán)境進行提前預判，提高煤炭開采安全系數(shù)顯得尤為重要。本文根據(jù)礦井的特殊環(huán)境設計了一種履帶式礦井環(huán)境探測機器人，能夠?qū)崿F(xiàn)無線遙控、環(huán)境探測和道路越障等功能[1]。

1 礦井環(huán)境探測機器人總體結(jié)構(gòu)方案設計

1.1 設計思路

根據(jù)目前礦井探測機器人功能單一的現(xiàn)狀，需要開發(fā)一種具有礦井探測功能的機器人，其具有多種傳感器，可以適應復雜的礦井環(huán)境。因此，該機器人需具備一個多功能平臺，平臺上擁有多個接口，可根據(jù)不同需求插裝相應傳感器。由于機器人長期工作于復雜泥濘環(huán)境，機器人需要擁有較強的抓地力，因此，機器人采用履帶式設計，增加與地面接觸面積，以此獲取更強抓地力。另一方面，機器人采用伺服電機作為驅(qū)動能源，可針對不同地形調(diào)整功率，以避免打滑側(cè)翻等情況的發(fā)生[2]。

1.2 機器人總體結(jié)構(gòu)方案及工作原理

機器人總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用雙側(cè)履帶式布置，上方安裝有一對傳動輪，下方安裝有四對承重輪。傳動輪連接到電機，由電機帶動，并帶動履帶旋轉(zhuǎn)，使車輛前進[3]。車身內(nèi)部由隔板分隔為上、下兩個艙室，上艙室由前到后安裝有伺服電機、單片機、信號接發(fā)機；下艙室為電池倉，可根據(jù)需求更換不同電池;艙室后部由鉸鏈安裝有后艙蓋，以便更換內(nèi)部零件。車身上端安裝有上艙蓋，艙蓋上側(cè)安裝有攝像照明設備與傳感元器件。攝像照明設備安置于可上下移動的支架上，以根據(jù)需求調(diào)整高度。傳感元器件安裝于元器件平臺上，元器件平臺上有多個接口，可根據(jù)不同需求安裝不同元器件。

機器人工作原理框圖如圖2所示。操控端給信號接收端發(fā)送操作指令，信號接收端將收到的信號傳遞給單片機，單片機將信號轉(zhuǎn)換成電信號控制電機運轉(zhuǎn)，以控制車輛前進。攝像機和傳感器件將所采集數(shù)據(jù)匯總到單片機，由單片機編譯成電子信號再由信號發(fā)射器發(fā)出并傳送至操控端，操控端接收并處理數(shù)據(jù)[4]。

圖1 機器人總體結(jié)構(gòu)方案 圖2 機器人工作原理框圖

2 礦井環(huán)境探測機器人結(jié)構(gòu)設計

2.1 驅(qū)動系統(tǒng)

機器人采用伺服電機作為驅(qū)動電機，伺服電機通過減速器與主動輪連接，主動輪與履帶嚙合，實現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)動。為了使機器人擁有攀爬的功能，設計了一個大的前輪，使履帶有一個60°的翹角；中間設有承重輪，以提高履帶的穩(wěn)定性，可以在泥濘的環(huán)境中更穩(wěn)定地行走；還設有一個后輪。機器人的驅(qū)動系統(tǒng)[5]如圖3所示。

1-伺服電機；2-主動輪；3-履帶；4-承重輪圖3 機器人驅(qū)動系統(tǒng)

2.2 控制系統(tǒng)

人工操控端給信號接收端發(fā)送操作指令，信號接收端將收到的信號轉(zhuǎn)變成匯編語言傳遞給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將信號轉(zhuǎn)換成電信號控制伺服電機運轉(zhuǎn)，伺服電機傳遞給傳動機構(gòu)動力，從而達到控制機器人運動的目的 。攝像機拍攝周圍環(huán)境狀況，并將不同傳感器件所采集數(shù)據(jù)打包反饋給控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)編譯成信號再由信號發(fā)射器發(fā)出并傳遞至操控端，操控端接收處理數(shù)據(jù)，然后根據(jù)不同情況制定不同方案[6]。

控制系統(tǒng)電路圖如圖4所示?？刂葡到y(tǒng)核心為AT89C51芯片，該芯片的P0端口連接一個數(shù)碼管，用來顯示時間；P1端口連接5個按鍵，用來控制電機的運動方向和運動速度；P2端口連接ULN2003A的非門驅(qū)動電路，用來驅(qū)動步進電機；XTAL1和XTAL2引腳用來提供外部振蕩源給片內(nèi)的時鐘電路；RST引腳引導電路的復位，按下相連的按鍵，則電路開始復位[7]。

圖4 控制系統(tǒng)電路圖

2.3 傳感器系統(tǒng)

機器人傳感器系統(tǒng)主要包括一氧化碳、溫度、粉塵、甲烷和攝像頭傳感器[8]。傳感元器件安裝于元器件平臺上，元器件平臺上有多個接口，可根據(jù)不同需求安裝不同元器件，如圖5所示。

機器人傳感器系統(tǒng)是機器人與外界進行信息交換的主要窗口，機器人會根據(jù)布置在機器人身上的不同傳感元件對周圍環(huán)境狀態(tài)進行實時測量，將所得數(shù)據(jù)通過不同接口送入單片機進行分析處理，最后將分析處理得到的結(jié)果傳輸?shù)娇刂贫?，從而實現(xiàn)對礦井環(huán)境的全面探測[9]。

3 機器人虛擬樣機

利用三維建模軟件SolidWorks繪制各零部件模型，然后將各零部件裝配起來，如圖6所示。

圖5 機器人傳感器系統(tǒng) 圖6 機器人三維模型

利用SolidWorks對裝配體進行干涉分析，其結(jié)果如圖7所示。由分析結(jié)果可知，裝配體及重要配合部位均無干涉，驗證了機器人設計的合理性和可行性。

圖7 機器人干涉分析

4 結(jié)束語

基于當前礦井探測的需求，設計了一種礦井環(huán)境探測機器人，采用履帶式行走機構(gòu)實現(xiàn)機器人行走和爬坡，探測平臺搭載不同傳感器進入地下礦井進行作業(yè)，通過控制系統(tǒng)將實時數(shù)據(jù)傳遞至單片機處理，并將處理后信息發(fā)送回操控端控制機器人動作，實現(xiàn)無線遙控、環(huán)境探測和道路越障等功能。